雙螺桿擠壓對玉米重組米理化特性及品質特性的影響

謝 天，孫洪蕊，康立寧,*，李鳳林*，田志剛，劉香英

（1.吉林省農業科學院農產品加工研究所，吉林 長春 130022；2.吉林農業科技學院食品科學與工程學院，吉林 吉林 132101）

目前我國主食以稻米為主，但單一稻米飲食存在缺乏營養素、膳食纖維、營養失衡等問題。而玉米具有營養豐富、健脾益胃、防癌、抗衰老等功效，與其他食物營養互補。隨著人們飲食觀念、生活方式的改變以及生活水平的提高，方便、營養、安全、綠色成為谷物加工的主流方向[1]。以玉米為原料，通過雙螺桿擠壓技術生產方便米飯順應了市場發展趨勢，具有廣闊的市場前景。

擠壓法加工營養米是向碎米粉中添加營養素，通過擠壓使谷物粉發生質構重組、二次成型所加工出的人造米，又稱為重組米或工程米[2]。1982年，Harrow等[3]利用低壓意大利面型擠出機最先建立了重組米的技術，將原料與水混合后置于150 ℃擠壓機中形成重組米，50 ℃干燥至水分質量分數低于15%。Moritteo等[4]研究鐵元素強化重組米，將硫酸亞鐵、乙二胺四乙酸鈉鐵以及焦磷酸鐵添加到米粉中，通過單螺桿擠壓機進行擠壓生產，開發與水稻具有相似感官特性的鐵強化重組米。Hagenimana等[5]通過研究發現，經過擠壓的膨化米粉淀粉黏度遠低于未加工的米粉，其淀粉消化率主要取決于加工條件。Kadan等[6]研究結果表明，隨著擠出溫度的升高，產品吸水率和水溶性指數均呈增加趨勢。鑒于擠壓重組米的特殊性，對其品質評價也應從多方面進行，如擠壓重組米的理化特性、質構特性、風味品質等[7]。制作方便米飯不僅能滿足即食、方便的要求，而且可以彌補其他方便食品營養單一、難以滿足人們需求的不足，符合當代消費理念[8]。目前，國內外關于擠壓重組米的研究多集中在擠壓機加工參數方面，對于多品種玉米粉在擠壓處理前后理化指標及品質指標之間關系的研究鮮有報道。本研究采用雙螺桿擠壓技術對吉林省17 個品種玉米進行雙螺桿擠壓制備重組米，研究品種間不同指標在擠壓前后的差異，為玉米粉在擠壓重組米中的應用和未來開發全谷物營養重組米產品提供相關理論依據及技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗用17 種玉米（‘吉單27’、‘吉單33’、‘吉單50’、‘吉單53’、‘吉單56’、‘吉單66’、‘吉單83’、‘吉單84’、‘吉單95’、‘吉單96’、‘吉單441’、‘吉單511’、‘吉單513’、‘吉單524’、‘吉單551’、‘吉單953’、‘吉單1402’）由吉林省農業科學院玉米研究所提供。

氫氧化鈉、磷酸二氫鉀、碘粒、碘化鉀、乙醇、甲醇、無水碳酸鈉、鹽酸 北京化工廠；氫氧化鉀、醋酸西隴化工股份有限公司；磷酸氫二鉀、溴甲酚綠、甲基紅 天津光復科技發展有限公司；直鏈淀粉、支鏈淀粉（標準品） 美國Sigma公司。

1.2 儀器與設備

SLG-30雙螺桿擠壓膨化機 山東賽百諾機械有限公司；BJ-1000A型高速多功能粉碎機 拜杰機械有限公司；DHG-9240A型電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；3K15型高速離心機 美國Sigma公司；KQ5200DV型數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；HH-6A數顯恒溫磁力攪拌水浴鍋 常州榮華儀器制造有限公司；722E型紫外分光光度計 上海光譜儀器有限公司；2300全自動凱氏定氮儀 丹麥福斯公司；500/VP高分辨率場發射掃描電子顯微鏡 德國卡爾-蔡司公司。

1.3 方法

1.3.1 設備基本情況

雙螺桿擠壓膨化設備基本參數如表1所示。

表1 雙螺桿擠壓膨化設備基本參數Table 1 Basic parameters of twin-screw extruder

1.3.2 擠壓重組米粉制備工藝流程

玉米剝粒→除雜→粉碎→過篩（100 目）→大顆粒再次粉碎→過篩（100 目）→加水混粉（水分質量分數16%）→擠壓（機筒溫度分別為75、130、130、80 ℃，螺桿轉速13 Hz，喂料速率15 Hz）→切割（55 Hz）→干燥（自然風干）→粉碎

1.3.3 基礎理化指標檢測方法

水分質量分數：采用GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》中直接干燥法；蛋白質量分數：采用2300全自動凱氏定氮儀測定；粗脂肪質量分數：采用GB 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》中索氏抽提法；直鏈淀粉質量分數：采用NY/T 2639—2014《稻米直鏈淀粉的測定 分光光度法》中方法。

1.3.4 糊化度測定

參考王寶石等[9]的實驗方法。將樣品過篩（60 目），取0.2 g懸浮于98 mL蒸餾水中，加入KOH溶液（10 mol/L）2 mL，磁力攪拌5 min，4 500 r/min離心10 min。取上清液0.2 mL，加HCl溶液（0.2 mol/L）0.2 mL和蒸餾水15 mL，最后加入碘溶液（1 g碘、4 g碘化鉀溶解到100 mL蒸餾水中）0.2 mL，在600 nm波長處測定吸光度A1。另取0.2 g樣品懸浮于95 mL蒸餾水中，加入KOH溶液（10 mol/L）5 mL，磁力攪拌5 min，4 500 r/min離心10 min，取上清液0.2 mL，加入HCl溶液（0.5 mol/L）0.2 mL中和，再加入蒸餾水15 mL，最后加入碘液0.2 mL，在600 nm波長處測定吸光度A2。糊化度按式（1）計算。

1.3.5 吸水性、水溶性、膨潤力的測定

參考侯蕾[10]、Kaur[11]等的實驗方法。準確稱取樣品0.50 g，置于已恒質量的離心管中，加入蒸餾水10 mL，在（25±1）℃條件下保持30 min（每5 min振蕩一次），3 000 r/min離心25 min，分離上清液和沉淀物，并將上清液傾倒于恒質量的鋁盒中，在120 ℃下蒸發至恒質量。吸水指數、水溶性指數及膨潤力分別按式（2）～（4）計算。

式中：m1為沉淀物質量/g；m2為上清液溶質干質量/g；m為樣品干質量/g。

1.3.6 凍融穩定性的測定

參考孫洪蕊[12]及Wu Yue[13]等的實驗方法并進行改進。配制50 mL質量分數為6%的淀粉糊，100 ℃水浴15 min，冷卻至室溫。移取相同質量的淀粉糊至50 mL離心管中，－20 ℃冷凍保存22 h，室溫下解凍2 h。3 000 r/min離心20 min，使用紗網過濾，稱取紗網上沉淀物的質量，按式（5）計算析水率。

1.3.7 色差的測定

將干燥48 h后的樣品進行粗粉碎，過60 目篩，平鋪于鋁盒中，樣品高度約為1.5 cm，壓實，對其表面進行色差測定。按公式（6）計算△E*。

式中：?E*值為色差，其值越大說明產品的綜合色差越大；?L*值為亮度，其值為正說明測試樣比標準樣品淺（偏白）；?a*值為紅綠度，其值為正說明測試樣比標準樣紅；?b*值為黃藍度，其值為正說明測試樣比標準樣黃。

1.3.8 掃描電子顯微鏡觀察

將樣品均勻固定在直徑為1 cm的樣品臺上，噴金，置于掃描電子顯微鏡下觀察。分別用500、5 000 倍2 個不同放大倍數對樣品從不同角度進行觀察和分析。

1.4 數據統計與分析

所有數據利用SPSS Statistics 23軟件進行雙變量相關性分析，P＜0.05表示相關性顯著，P＜0.01表示相關性極顯著。采用Origin 8.5.1軟件進行繪圖處理，所有實驗重復3 次，均取平均值進行計算與分析。

2 結果與分析

2.1 擠壓處理對不同品種玉米重組米蛋白、脂肪質量分數的影響

表2 擠壓處理對不同品種玉米重組米蛋白、脂肪質量分數的影響Table 2 Effect of extrusion on protein and fat contents in corn flour

如表2所示，擠壓處理對不同品種玉米重組米的蛋白、脂肪質量分數都有明顯改變。其中脂肪質量分數改變最明顯，擠壓后樣品明顯低于擠壓前，最大改變率超過50%，其原因可能是由于在擠壓過程中游離脂肪酸受到高溫作用，發生氧化反應，導致脂肪質量分數下降；另一個原因也有可能是物料在機筒中受到強剪切力，并且在擠出頭處受到高壓作用，使油脂從物料中分離。從表2可以看出，擠壓處理后蛋白質量分數有所降低，普遍降低了10%～13%，這主要是由于蛋白質在高溫、高壓、高剪切力的作用下產生變性，氨基酸發生降解。而分子質量的變化是導致蛋白質理化特性改變的重要原因，有研究發現，擠壓后蛋白質亞基的分子質量分布呈現出向小分子質量轉變的趨勢[14]。

2.2 擠壓處理對不同品種玉米重組米直鏈淀粉質量分數的影響

淀粉是玉米的重要組成部分，其中直鏈淀粉主要由α-D-葡萄糖通過α-D-1,4糖苷鍵連接而成的鏈狀分子，摩爾質量為105～106g/mol。支鏈淀粉是葡萄糖由α-D-1,6糖苷鍵與主鏈相連組成[15]，摩爾質量為107～109g/mol。由表3可以看出，在擠壓處理后直鏈淀粉質量分數有所下降，但下降趨勢較小，總體在3%～6%左右，平均為5.11%。據文獻[16]報道，擠壓處理對支鏈淀粉產生了較大程度的改性，表現為分子質量明顯減小。擠壓處理過程中的高剪切力可能是造成支鏈淀粉分子大量降解的主要原因，而直鏈淀粉分子抗剪切能力較強，降解程度較小，高直鏈淀粉含量產品對于控制餐后血糖升高速度更有益[17]。

表3 擠壓處理對不同品種玉米重組米直鏈淀粉質量分數的影響Table 3 Effect of extrusion on amylase content in corn flour

2.3 擠壓處理對不同品種玉米重組米凍融穩定性和糊化度的影響

淀粉凍融穩定性是淀粉品質的重要特征之一，為了延長產品的貨架期以及提高消費者的食用口感，提高淀粉的凍融穩定性至關重要。在銷售運輸過程中，產品經常反復冷凍、融化，如果產品的凍融穩定性不佳，導致食品不能保持原有的膠體結構，會對其食用品質產生不良影響[18]。通常用淀粉析水率表征淀粉的凍融穩定性，析水率越高，凍融穩定性越差。如表4所示，擠壓前后淀粉析水率變化明顯，擠壓后析水率與擠壓前相比較降低了50%～66%，這可能是由于擠壓處理的高溫、高剪切作用破壞了淀粉結構，使淀粉更易于糊化，同時降低淀粉分子質量，使淀粉顆粒更小，增強其保水能力，提高凍融穩定性[19]。擠壓后的產品在經過反復凍融后，其淀粉與水不易產生隔層分離，表現為析水率降低。經過擠壓處理的玉米粉凍融后產生凝膠化，其結構類似于海綿狀態，并且具有一定的彈性和韌性，而未經過擠壓的玉米粉凝膠化程度不高，結構松軟，有大量水分析出，易破碎[20]。

表4 擠壓處理對不同品種玉米重組米凍融穩定性和糊化度的影響Table 4 Effect of extrusion on freeze-thaw stability and gelatinization of corn flour

糊化對于淀粉有著重要意義，其可以使淀粉產生良好的香味，改善口感，使其更加易于被人體消化吸收。如表4所示，玉米粉在擠壓處理前糊化度（約24%～70%）相差較大，這可能是由于在磨粉期間高速磨粉機產生大量熱量使粉質產生部分糊化。擠壓處理后所有品種玉米粉糊化度都在90%以上，且產品散發玉米香氣，說明擠壓處理能夠明顯提高產品的糊化度。

2.4 擠壓處理對不同品種玉米重組米吸水性、水溶性及膨潤力的影響

吸水性對擠壓重組米的蒸煮品質及食用品質起著重要的作用，米類在蒸煮時要經過淘洗、浸泡等步驟，其目的之一就是讓物料吸收水分，經過高溫蒸煮時不至于發生米飯過度糊化而黏鍋、營養流失等現象，同時使飯粒顆粒飽滿。如圖1所示，擠壓后的玉米粉吸水性明顯高于擠壓前，甚至高出1 倍，此現象有益于提升重組米的加工性能和食用品質。Liu Chengmei等[21]認為這是擠出產品中的糊化淀粉比例較高所導致。高溫使物料產生糊化現象，使淀粉分子間距增大，削弱淀粉分子之間氫鍵的連接作用，使淀粉分子內部大量親水基團暴露，提高產品的吸水性。由于吸水能力的提高，導致淀粉顆粒更易吸水膨脹，體積變大。在擠壓過程中物料受到高溫作用，機械能轉化為分子間熱能，使大分子轉變為小分子，分解淀粉中大部分支鏈，使可溶性成分含量增加，從而導致物料水溶性提高。

圖1 擠壓處理對不同品種玉米重組米吸水指數的影響Fig. 1 Effect of extrusion on water-absorbing index of corn flour

圖2 擠壓處理對不同品種玉米重組米水溶性指數的影響Fig. 2 Effect of extrusion on water solubility index of corn flour

如圖2所示，經過擠壓處理的樣品水溶性明顯高于未經處理的產品。水溶性對于不同產品有著不同的意義，對于重組米的品質起著不良的作用。經過蒸煮實驗發現，水溶性提高會使重組米發生溶解，其外觀只能模糊辨認，喪失食用價值。所以，在對產品進行蒸煮時要注意添加水分的質量分數，過多或過少都會對其產生不好的影響。水溶性增加對于如代餐粉、糊狀食品等需要沖調食用的食品具有一定意義，但對于重組品產品則會產生不良影響。

圖3 擠壓處理對不同品種玉米重組米膨潤力的影響Fig. 3 Effect of extrusion on swelling property of corn flour

如圖3所示，經擠壓處理后樣品的膨潤力明顯高于未經處理的樣品。其原因可能是在擠壓過程中游離脂肪酸、蛋白質與淀粉降解，其相互作用所形成的環狀結構被破壞，從而減弱了淀粉分子間的氫鍵結合，影響產品蒸煮時的膨潤力。

綜上所述，吸水性、水溶性以及膨潤力是評價淀粉加工性能優劣的指標，提高吸水性與水溶性對淀粉能否形成糊狀起著重要的作用，膨潤力在一定意義上代表著重組米在蒸煮時的膨脹能力。可以看出，經擠壓處理后的樣品吸水性、水溶性以及膨潤力變化明顯，吸水性較未處理樣品最低提高57.44%，水溶性最低提高42.37%，膨潤力最低提高52.48%，這些改變都是由于淀粉在高溫、高壓、高剪切力的作用下產生糊化作用所致，分子質量明顯減小，內部結構破壞，更容易與水分結合。

2.5 擠壓處理對不同品種玉米粉色差的影響

圖4 擠壓處理對不同品種玉米重組米色差的影響Fig. 4 Effect of extrusion on chromatic aberration of corn flour

從圖4可以看出，擠壓后重組米?E*值發生明顯改變，擠壓后產品的?E*值高于擠壓前產品。總體上擠壓后的產品顏色更深，但對于產品總體品質的影響不大。

顏色加深的原因可能是由于物料在擠壓過程中脂肪受到高溫作用，糊化時產生美拉德反應，導致顏色變深。Marti等[22]認為高溫加熱是產品色澤變深的主要原因。Elbert等[23]認為蛋白質變性時玉米黃素發生降解，導致黃度降低。如果適當降低機筒溫度及螺桿轉速，可能會使產品?E*值略微降低，對產品色澤起到正面影響，使其更易于在視覺上被人們接受[24]。

2.6 掃描電子顯微鏡觀察結果

以‘吉單513’為例，如圖5A、B所示，未經擠壓的玉米粉中存在大量完整的淀粉顆粒。顆粒呈現圓潤狀，破損程度較小，較為有序地相互緊密連接。而擠壓后的玉米粉經高溫剪切作用發生熱膨脹現象，形成大顆粒，相互之間的距離增大，而結構也從有序球狀轉變為無序的疏散狀。高剪切作用下產生的淀粉顆粒碎片也因預糊化淀粉的高黏性而無序地吸附在大顆粒表面。經過高溫擠壓處理后產品的微觀表面產生撕裂的痕跡，并幾乎觀察不到完整的淀粉顆粒。如圖5C、D所示，未經擠壓的玉米粉中淀粉顆粒結構完整，呈現較為規則的圓潤狀或橢圓狀，間隙較小。由于原料前期處理時被粉碎機高速粉碎，導致少部分淀粉顆粒表現出輕微破損。擠壓后顆粒膨脹、變大。由于高剪切力作用導致淀粉顆粒發生破損，在表面遺留更多孔洞。擠壓后顆粒的微觀表面更加光滑、平整。這是由于原料在擠壓過程中受到高溫、高剪切力作用，由固態轉變為熔融態，流動性增強，冷卻后使產品的表面更加細膩。

圖5 玉米重組米擠壓處理前后掃描電子顯微鏡觀察結果Fig. 5 Scanning electron micrographs of native and extruded corn flour

2.7 不同指標之間相關性分析

表5 擠壓前后玉米重組米理化特性相關性分析Table 5 Correlation analysis of physicochemical properties of extruded corn

由表5得出，析水率與蛋白質量分數呈極顯著正相關（r＝0.635），在凍融過程中，蛋白質分子中產生細小冰晶，擠壓蛋白分子，導致其三、四級結構受到破壞，由穩定結構變成易分解的結構，蛋白分子被分解成為多肽，無法與水分子結合，降低了凍融穩定性。糊化度與蛋白質量分數呈顯著負相關（r＝－0.566），證明淀粉糊化可能受到蛋白質的影響[25-26]，當蛋白質量分數提高時，其在淀粉顆粒周圍形成乳膜，降低糊化度以及凝膠化程度，防止淀粉快速形成凝膠。糊化度與析水性呈極顯著負相關（r＝－0.953），提高糊化度會促進物料在擠壓過程中產生美拉德反應，Camire等[27]發現，美拉德反應同樣能夠提高凍融穩定性。糊化度高說明已經形成預糊化淀粉，預糊化淀粉與冷水結合形成凝膠結構，其抵抗由溫度波動造成的不良物理變化的能力強，且比未糊化玉米淀粉的凍融穩定性好[28]。

吸水性與蛋白質量分數呈極顯著負相關（r＝－0.627），由于在擠壓過程中蛋白質分子受到高剪切力及高溫作用，使蛋白質變性，破壞蛋白質分子中的氫鍵，降低其與水的結合能力。另外，由于原料與雙螺桿擠壓時產生的重金屬陽離子接觸，導致重金屬陽離子與蛋白質中游離羧基形成不溶性鹽，同樣降低其與水的結合能力。有研究發現，吸水指數較低表明蛋白質干擾了淀粉顆粒的凝膠化過程；同時，蛋白質能夠與類脂物質（如油、脂肪等）反應，使物料發生壁面滑移現象[29]。吸水性與析水率呈極顯著負相關（r＝－0.857），吸水性高證明產品與水分子的結合能力較強，在凍融循環后水分不易溢出，降低析水率。糊化度、吸水性（r＝0.851）和水溶性（r＝0.899）三者間相互呈極顯著正相關。如前文所述，物料受到高溫、高壓、高剪切力的作用產生高度糊化，破壞淀粉分子結構，使淀粉大分子降解為小分子，充分與水分子結合。

水溶性與蛋白質量分數呈極顯著負相關（r＝－0.692），蛋白質量分數與水之間的作用力一部分源于蛋白質中的肽鍵，只有經過剪切力和高溫作用，導致肽鍵和氫鍵斷裂，才能使其易與水分子結合。水溶性與析水率呈極顯著負相關（r＝－0.884），水溶性提高說明產品中更多部分溶解于水，保持穩定結構的物質更少，導致其穩定性較差。水溶性與吸水性呈極顯著正相關（r＝0.952），水溶性越高，溶解于水的物質越多，產品中越多的內部物質被更多地暴露出來，與水分子的接觸越多，產品吸水性越高。

脂肪質量分數與析水性呈顯著正相關（r＝0.487），脂肪質量分數提高，產品糊化度降低，淀粉降解程度減小，結合水分能力減弱，凍融穩定性變差。糊化度與脂肪質量分數呈顯著負相關（r＝－0.576），有研究結果表明，提高剪切力和機筒溫度可以提高物料糊化度[30]。高剪切力、高溫會使油脂溶出，在機筒內部充當潤滑劑，覆蓋在物料表面，降低螺桿對物料的剪切作用及機筒的溫度傳遞，提高物料運輸速度，縮短物料在機筒內的停滯時間，從而顯著降低物料的糊化度。脂肪質量分數與吸水性（r＝－0.483）和水溶性（r＝－0.603）都呈顯著負相關，油脂在擠出時少量覆蓋在產品表面，形成薄膜，阻擋淀粉與水分子的結合，降低產品吸水性和水溶性。

直鏈淀粉質量分數與析水性呈極顯著正相關（r＝0.763），與糊化度呈極顯著負相關（r＝－0.681）。直鏈淀粉空間構象為卷曲螺旋狀，具有較好的柔韌性和抗剪切性[31]，所需要的糊化溫度更高，因此淀粉降解程度小，結合水分的能力弱，凍融穩定性較差，不適于加工成冷凍食品。與直鏈淀粉相比，支鏈淀粉短鏈分支更多，更易受到螺桿剪切力作用發生降解，糊化溫度低。直鏈淀粉質量分數與吸水性（r＝－0.647）和水溶性（r＝－0.625）都呈極顯著負相關，直鏈淀粉的抗剪切能力較強，在高溫剪切作用下降解程度小，各部分均不能與水分子較好結合，其吸水性與水溶性都下降。直鏈淀粉與膨潤力呈負相關（r＝－0.325），脂質能夠與直鏈淀粉相互作用并且抑制淀粉膨脹[32]和水合能力，但脂質復合淀粉卻能夠在100 ℃低水分條件下降低淀粉的凝膠化熱焓。色差與脂肪質量分數呈極顯著負相關（r＝－0.730），脂肪質量分數較高時，擠壓、高溫作用下會產生嚴重地美拉德反應，導致產品顏色變深。綜上所述，生產重組米應盡量選擇直鏈淀粉和油脂質量分數較低的原料。

3 結 論

雙螺桿擠壓對玉米粉營養成分及品質特性有明顯的影響。本研究結果表明，擠壓處理后不同品種玉米重組米蛋白質量分數平均降低11.32%，脂肪質量分數平均降低29.88%，直鏈淀粉質量分數平均降低5.11%，凍融穩定性平均提高58.90%，糊化度平均提高88.62%，吸水性平均提高77.03%，水溶性平均提高73.57%，膨潤力平均提高87.51%。

相關性分析表明，糊化度與脂肪、直鏈淀粉質量分數呈極顯著負相關，與蛋白質量分數呈顯著負相關，與吸水性和水溶性呈極顯著正相關；直鏈淀粉和脂肪質量分數與凍融穩定性、糊化度、吸水性及水溶性呈極顯著負相關。玉米重組米在擠壓處理后理化成分損失較小，但加工性能及食用品質有較大的提高。本研究證明擠壓重組米的加工性能、成分、口感等方面均符合當代人們食用需求，為擠壓玉米重組米的工業化生產提供理論依據。